CN103551921B - 一种压阻式集成化三维车削力传感器 - Google Patents

一种压阻式集成化三维车削力传感器 Download PDF

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Abstract

一种压阻式集成化三维车削力传感器，车刀安装在传感器主体结构的头部车刀插槽内，传感器主体结构的中部上下面分别设有第一竖直八角半环和第二竖直八角半环，传感器主体结构的中部前后两个侧面分别连接第一水平八角半环和第二水平八角半环，传感器主体结构的尾部为传感器柄，八角半环外表面封装有MEMS硅微力敏芯片，采用两个互相垂直的八角环结构实现了三维车削力的独立测量，减小了各向力之间的相互影响和耦合，采用MEMS硅微力敏芯片，不仅芯片的测量精度和灵敏度大大提高，仅需要在一处封装MEMS硅微力敏芯片就可以实现对应力、应变的测量，本发明实现三维车削力的精确测量，不仅可以测量动态力，也适用于测量静态力。

Description

一种压阻式集成化三维车削力传感器
技术领域
本发明涉及智能制造装备技术领域，特别涉及一种压阻式集成化三维车削力传感器。
背景技术
在金属切削加工中，车削加工是最常见的加工方法之一。车削力是反映车削过程的重要指标，车削力的大小和车削过程变化密切相关，车削状态的每个微小变化都能通过车削力的变化反映出来。车削力大小与刀具磨损、加工精度、车削温度、功率消耗等有着密切关系，因此如何精确测量车削力对提高加工性能非常重要。
传统的车削力测力仪主要有电阻应变式、压电式、电流式、光纤式、电容式等类型，但是电阻应变式测力仪存在灵敏度和刚度的矛盾；压电式测力仪由于电荷泄漏而不能测试静态力、固有频率的提高受装配接触刚度的限制、维护极不方便、价格昂贵；电流式测力仪测量精度不高，并且由于电流迟滞导致无法满足对车削力实时监测的较高要求；光纤式和电容式传感器易受外界振动和温度变化的影响而无法准确测量。
近年来随着各种微纳传感器的发展，针对车床加工刀具切削过程中切削质量控制、刀具寿命预测以及智能加工需求，研发用于刀具切削等过程检测控制的体积小、功耗低、性能优良的微纳传感器显得尤为迫切和必要。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种压阻式集成化三维车削力传感器，用MEMS硅微力敏芯片捕捉弹性体表面应力，实现三维车削力的精确测量。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种压阻式集成化三维车削力传感器，包括传感器主体结构7，车刀1安装在传感器主体结构7的头部车刀插槽8内，传感器主体结构7的中部上下面分别设有第一竖直八角半环4和第二竖直八角半环5，第一竖直八角半环4、第二竖直八角半环5形成竖直方向八角环，作为竖直方向的弹性体结构，传感器主体结构7的中部前后两个侧面分别连接第一水平八角半环2和第二水平八角半环3，第一水平八角半环2和第二水平八角半环3形成水平方向八角环，作为水平方向的弹性体结构，传感器主体结构7的尾部为传感器柄，传感器柄是截面为矩形的长方体条，在第一竖直八角半环4、第二竖直八角半环5、第一水平八角半环2和第二水平八角半环3外表面分别封装有MEMS硅微力敏芯片6。
所述的车刀插槽8是截面为方形的空心插槽，在车刀插槽8侧面中部开有螺纹孔9。
所述MEMS硅微力敏芯片6是由MEMS技术制作的应力应变转换元件，芯片内部集成压阻惠斯顿全桥电路。
本发明的有益效果是：首先，本发明根据八角环受力变形的特点，采用两个互相垂直的八角环结构实现了三维车削力的独立测量，减小了各向力之间的相互影响和耦合；相比于传统的金属应变片式车削力传感器，采用MEMS硅微力敏芯片，不仅芯片的测量精度和灵敏度大大提高，而且每一片MEMS硅微力敏芯片上都集成了惠斯顿全桥电路，仅需要在一处封装MEMS硅微力敏芯片就可以实现对应力、应变的测量，传统金属应变片式传感器需要在四个特定部位分别粘贴金属应变片以组成惠斯顿电桥，容易引入耦合和误差；相比于压电式车削力传感器只能测量动态力的缺陷，本发明不仅可以测量动态力，也适用于测量静态力。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明传感器主体结构7的结构示意图。
图3为本发明水平八角半环的示意图。
图4为本发明在车床刀架上的安装示意图。
图5为本发明受力示意图。
图6为本发明水平八角环受力分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
参照图1、图2和图3，一种压阻式集成化三维车削力传感器，包括传感器主体结构7，车刀1安装在传感器主体结构7的头部车刀插槽8内，并通过螺栓固定车刀1，传感器主体结构7的中部上下面分别设有第一竖直八角半环4和第二竖直八角半环5，第一竖直八角半环4、第二垂直八角半环5形成垂直方向八角环，作为竖直方向的弹性体结构；传感器主体结构7的中部前后两个侧面分别连接第一水平八角半环2和第二水平八角半环3，第一水平八角半环2和第二水平八角半环3形成水平方向八角环，作为水平方向的弹性体结构，感器主体结构7的尾部为传感器柄，传感器柄是截面为矩形的长方体条，用于将该传感器固定在车床刀架10上，在第一竖直八角半环4、第二竖直八角半环5、第一水平八角半环2和第二水平八角半环3外表面分别封装有MEMS硅微力敏芯片6，从而构成车削力传感器。
参照图2，所述的车刀插槽8是截面为方形、具有一定厚度的空心插槽，用于***车刀1，在车刀插槽8侧面开有螺纹孔9，用于***螺栓并固定车刀1。
所述MEMS硅微力敏芯片6是由MEMS技术制作的应力应变转换元件，芯片内部集成压阻惠斯顿全桥电路。
本发明的工作原理为：
使用时，参照图4，将感器主体结构7的尾部传感器柄固定在车床刀架10上，电动机11带动刀架转动实现换刀功能。
参照图5，硬质合金可转位车刀1在车削过程中受到车削力可分解为三个互相垂直的作用力，分别是主车削力FC，进给力Ff和吃刀抗力Fp。其中主车削力FC引起的变形主要体现在第一竖直八角半环4、第二竖直八角半环5上，进给力Ff引起的变形主要体现在第一水平八角半环2、第二水平八角半环3上，吃刀抗力Fp引起的变形分别体现在第一竖直八角半环4、第二竖直八角半环5和第一水平八角半环2、第二水平八角半环3上。
参照图6，第一水平八角半环2、第二水平八角半环3组成的水平八角环的一端固定，另一端受到进给力Ff和吃刀抗力Fp的作用，图中t表示八角环厚度，r表示八角环平均半径。由于八角环结构对称，并且结构类似于圆环，因此采用圆环分析方法取右边半环进行分析，则任意截面上的弯矩为：
忽略轴力的影响，则圆环表面应力为：
（W为抗弯截面模量），
可见当θ＝90°时，圆环表面应力仅与吃刀抗力Fp有关，当θ＝39.4°or140.6°时，圆环表面应力仅与进给力Ff有关。通过基础实验发现，对于八角环结构，在八角环表面θ＝90°和θ＝45°or135°位置处适合封装MEMS硅微力敏芯片6。第一水平八角半环2、第二水平八角半环3表面的MEMS硅微力敏芯片6能够将八角环表面应力应变并转换为电量输出，通过标定即可实现对进给力Ff和吃刀抗力Fp的测量。
同理，第一竖直八角半环4、第二竖直八角半环5上封装的MEMS硅微力敏芯片6可以实现对主车削力FC的测量。

Claims (1)

1.一种压阻式集成化三维车削力传感器，包括传感器主体结构(7)，其特征在于：车刀(1)安装在传感器主体结构(7)的头部车刀插槽(8)内，传感器主体结构(7)的中部上下面分别设有第一竖直八角半环(4)和第二竖直八角半环(5)，第一竖直八角半环(4)、第二竖直八角半环(5)形成竖直方向八角环，作为竖直方向的弹性体结构，传感器主体结构(7)的中部前后两个侧面分别连接第一水平八角半环(2)和第二水平八角半环(3)，第一水平八角半环(2)和第二水平八角半环(3)形成水平方向八角环，作为水平方向的弹性体结构，竖直方向八角环、水平方向八角环分别为正八角环结构，传感器主体结构(7)的尾部为传感器柄，传感器柄是截面为矩形的长方体条，在第一竖直八角半环(4)、第二竖直八角半环(5)、第一水平八角半环(2)和第二水平八角半环(3)外表面分别封装有MEMS硅微力敏芯片(6)，MEMS硅微力敏芯片(6)贴在45°、90°或135°；
所述的车刀插槽(8)是截面为方形的空心插槽，在车刀插槽(8)侧面中部开有螺纹孔(9)；
所述MEMS硅微力敏芯片(6)是由MEMS技术制作的应力应变转换元件，芯片内部集成压阻惠斯顿全桥电路。
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